서 론

2022년 중대재해 처벌 등에 관한 법률 시행 이후 광업 분야에서의 안전관리 체계 구축에 대한 사회적 요구가 급증하고 있다(Korean Law Information Center, 2026). 지하 광산은 좁고 폐쇄적인 공간 구조, 분기 갱도에 따른 기류의 불균일성, 장비 운용 및 공정(발파·운반 등)에서 기인하는 유해가스·분진 노출 위험이 중첩되는 대표적인 고위험 작업 환경으로 알려져 있다(Lee et al., 2014). 이러한 환경에서 발생하는 가스 누출, 갱내 화재, 붕락 사고는 대피 시간을 확보하기 어렵게 만들어 대형 인명 피해로 이어질 수 있다(Cheon and Jin, 2017; Kim et al., 2011). 특히 유해가스는 환기 운전 상태와 갱도 형상, 장비 운행 및 작업 패턴에 따라 단시간에 농도가 변동할 수 있으며, 다지점 연속 계측과 조기 경보 체계가 중요하다(Jo and Khan, 2017). 또한 지하공간의 화재·연기 및 오염물 거동을 이해하기 위한 환기·유동 해석의 필요성도 보고되어 왔다(Lee et al., 2014; Park, 2023).

그러나 국내 가동 광산의 상당수는 연 매출 10억 원 미만의 소규모 영세 사업장으로 구성되어 있으며, 재정적 여건상 상용 스마트마이닝 시스템이나 고도화된 유선 통신 인프라를 독자적으로 구축하고 유지하기에는 한계가 뚜렷하다(KIGAM, 2025; Fig. 1). 이로 인해 많은 현장에서는 여전히 관리자가 휴대용 계측기를 들고 갱내를 순찰하거나, 특정 지점에 설치된 아날로그 센서 수치를 수기로 기록하는 등 인력 의존적인 관리 방식에서 벗어나지 못하고 있다. 국내 광업계의 디지털 전환 과정에서도 현장 기능인력의 고령화와 디지털 정보격차가 주요 제약요인으로 지적되었으며, 이를 완화하기 위한 모바일 기반 작업일지 앱 개발 사례가 보고된 바 있다(Park and Choi, 2022). 따라서 무선 통신을 이용해 갱내 환경을 실시간으로 계측하고, 필요한 경우 원격으로 대응할 수 있는 적정 기술 기반 안전관리 체계가 요구된다(Kim et al., 2024). 광업 분야에서도 사물인터넷과 오픈소스 하드웨어 기술의 활용 가능성이 검토된 바 있으며, 저비용 마이크로컨트롤러와 센서를 이용한 현장 모니터링 시스템이 광산 안전관리의 실용적 대안이 될 수 있음이 제시되었다(Kim, 2019).

Fig. 1.

Number of domestic mines by annual sales range (KRW) (KIGAM, 2025).

한편 사물인터넷(IoT, Internet of Things)과 무선 센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Network)를 활용한 갱내 환경 모니터링은 통신 음영 구간이 빈번한 지하 공간에서 다지점 데이터를 확보할 수 있는 대안으로 제시되어 왔다(Osunmakinde, 2013). 특히 ZigBee 기반 메시 네트워크는 노드 간 중계 기능을 통해 통신 범위를 확장하고, 일부 노드의 링크 품질이 저하되더라도 우회 경로로 데이터 전달이 가능하다는 점에서 복잡한 갱도망에 적합한 특성을 갖는다(Lee et al., 2022). 또한 갱도 환경에서는 곡선부·교차부 등에서 전파 감쇠 특성이 달라질 수 있어, 무선 노드 간 가시거리와 배치 조건을 함께 고려한 통신 성능 검토가 필요하다는 점이 실험 기반 연구에서 제시된 바 있다(Lee et al., 2023). 더 나아가 최근에는 저전력·장거리 통신(LPWAN, Low-Power Wide-Area Network)을 포함한 무선 기반 모니터링 계획과 설치 전략이 논의되며, 갱내 확장에 따른 배선 비용과 유지관리 부담을 낮추려는 접근이 보고되고 있다(Cacciuttolo et al., 2024).

그러나 선행 연구들을 종합적으로 고찰해 보면, 실질적인 현장 적용과 안전관리 효율성 측면에서 일부 한계가 존재한다. 첫째, 다수의 시스템이 센서 데이터를 수집해 지상으로 전송하는 모니터링 단계에 집중되어 있고, 경보 이후의 대응(환기팬 가동, 배수펌프 운전 등)을 현장 설비 수준에서 통합적으로 구현·실증한 사례는 상대적으로 제한적이다(Jo and Khan, 2017; Kim et al., 2025). 특히 소규모 광산은 노후 아날로그 제어 패널 기반으로 설비가 운용되는 경우가 많아, PLC(Programmable Logic Controller) 기반 시스템으로 전면 교체하는 방식은 초기 투자비와 유지보수 인력 측면에서 도입 장벽이 크다(Jo and Khan, 2018). 따라서 기존 설비를 유지한 상태에서 적용 가능한 저비용, 비침습형 제어 솔루션이 요구된다. 둘째, 모니터링 센서의 설치 위치 선정에 대한 객관적 기준이 부족하다. 현장에서는 설치 편의성이나 전원·통신 확보 가능성, 작업자의 경험 등에 의해 센서가 배치되는 경우가 있으며, 이 경우 기류가 정체되어 가스가 체류, 농축될 수 있는 구간을 충분히 감시하지 못할 가능성이 있다. 센서 배치의 타당성을 보완하기 위한 방법으로 CFD 기반 기류·확산 해석이 활용될 수 있으며, 가스 확산 범위를 정량화해 검지기 배치 의사결정을 지원하는 방법론도 제시된 바 있다(Park, 2023). 또한 갱도 형상과 환기 조건에 따라 기류 정체 구간이 형성될 수 있으며, 국내 석회석 광산의 적정 통기기술 필요성을 제시한 연구는 센서 설치 전략의 중요성을 뒷받침한다(Lee, 2021).

이에 본 연구는 오픈소스 기반의 저비용 하드웨어와 무선 통신 기술을 결합하여, 중소규모 지하광산에 적용 가능한 통합 안전관리 시스템을 개발하고 현장 적용 가능성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 ESP32 기반 다중 가스 측정 모듈을 제작하여 CO, CO₂, NO₂, O₂를 연속 계측하고, ZigBee 메시 네트워크를 통해 갱내 다지점 데이터를 수집한 뒤 Wi-Fi 백홀(backhaul)과 클라우드 데이터베이스를 이용해 원격지에서 실시간 조회 및 이력 관리를 가능하게 하였다. 또한 서보모터 구동 스위치 조작 모듈을 개발하여 기존 전기 판넬을 개조하지 않고도 환기팬 및 배수펌프의 원격 on/off가 가능하도록 구성함으로써, 모니터링 결과가 현장 대응 조치와 연계될 수 있는 운영 구조를 제시하고자 하였다. 아울러 센서 설치의 합리성을 보완하기 위해 갱내 통기 조건을 반영한 유동 해석을 수행하여 저속 정체 및 재순환 가능 구간을 우선 감시 후보로 도출하고, 이를 통신 연결성 및 현장 접근성 등 설치 제약 조건과 종합하여 최종 배치를 결정하였다. 개발된 시스템을 충북 제천시 석회석 광산에 구축하여 데이터 전송, 데이터 축적, 모바일 표시 및 원격 스위치 조작 가능성을 현장 실증으로 검토함으로써, 소규모 지하광산에 적용 가능한 적정 기술 기반 안전관리 모델의 가능성을 제시하고자 한다.

연구방법

네트워크 구성

지하광산 갱내는 굴곡 및 차폐가 심하고 분기 갱도가 다수 존재하여 무선 통신의 음영 구간이 빈번하게 발생한다. 본 연구에서는 갱내 다지점 가스 측정 데이터를 안정적으로 수집·전송하고 갱외에서도 실시간 확인이 가능하도록, 하위 계층은 ZigBee 기반 메시(mesh) 네트워크로 구성하고 상위 계층은 Wi-Fi 백홀과 클라우드 데이터베이스로 연동하는 하이브리드 통신 구조를 적용하였다. ZigBee 메시 네트워크는 코디네이터(coordinator)가 네트워크를 생성·관리하고 라우터(router)가 상시 전원 상태에서 중계를 수행함으로써, 일부 링크 품질이 저하되더라도 우회 경로를 통해 데이터 전달이 가능한 특징이 있으므로 갱내 환경에서 통신 안정성 확보에 유리하다. 본 연구에서는 통신 안정성을 우선하여 코디네이터 1대와 다수 라우터로 네트워크를 구성하였으며, 라우터는 각 가스 측정 모듈에 탑재되어 측정 데이터를 생성·전송하도록 하였다. 라우터에서 전송된 데이터는 ZigBee 메시 네트워크를 통해 코디네이터로 수집되고, 코디네이터는 Wi-Fi 구간을 통해 클라우드 데이터베이스로 업로드하는 계층 구조를 갖는다(Fig. 2).

Fig. 2.

Hybrid communication architecture from gas sensors to the server.

ZigBee 장치의 구성 및 네트워크 파라미터 설정은 XCTU 프로그램을 이용해 수행하였다. 네트워크 구분을 위해 PAN ID를 설정하여 동일 ID 장치만 동일 네트워크로 동작하도록 하였고, 라우터의 네트워크 참여 여부를 코디네이터에서 확인할 수 있도록 참여 알림 설정을 활용하였다. 데이터 송수신 절차는 현장 운용의 단순성과 안정성을 고려하여 투명(Transparent) 모드 기반으로 구성하여, ESP32에서 생성한 데이터가 직렬 통신 형태로 ZigBee를 통해 전달되도록 하였다. 구축 이후에는 링크 상태를 점검하여 코디네이터를 중심으로 라우터들이 복수 경로를 갖는 메시 구조를 형성하는지 확인하였고, 일부 구간에서 링크 품질 저하가 관찰된 경우 설치 위치 조정 등을 통해 통신 안정성을 보완하였다(Fig. 3).

Fig. 3.

ZigBee mesh network link status verified using XBee Configuration & Test Utility (XCTU).

상위 계층에서는 ZigBee를 통해 수집된 데이터가 갱외에서도 즉시 확인·분석될 수 있도록 Wi-Fi 백홀과 Firebase Realtime Database를 연동하였다. 갱내 Wi-Fi는 현장 여건에 맞추어 유선 백홀(wired backhaul) 방식으로 구성하여, 메인 공유기와 보조 공유기를 이더넷으로 연결함으로써 업로드의 연속성과 안정성을 확보하였다. Firebase Realtime Database에는 모듈(노드)별 데이터가 혼재되지 않도록 데이터 구조를 설계하여, 다지점에서 업로드되는 측정값이 모듈별 시계열로 누적 저장되도록 하였고, 이를 통해 지점별·시간대별 비교 분석이 가능하도록 하였다(Fig. 4). 결과적으로 본 연구의 네트워크는 다지점 센서(라우터)–ZigBee 메시–코디네이터–Wi-Fi 백홀–Firebase–모바일 애플리케이션으로 이어지는 단일 데이터 흐름을 형성하며, 동일 플랫폼에서 모니터링과 제어의 연계 운용이 가능하도록 설계되었다.

Fig. 4.

Structure of the Firebase Realtime Database used for sensor data storage.

가스 측정 및 원격 제어 모듈 개발

본 연구에서는 갱내 대기질의 다지점 연속 계측과 위험 상황 대응 가능성을 검토하기 위해 다중 가스 측정 모듈과 환기·배수 설비 원격 제어 모듈을 제작하였다. 두 모듈은 현장 설치와 유지보수를 고려하여 상용 부품 기반의 모듈형 구조로 구성하였다. 가스 측정 모듈은 DFRobot Gravity 계열 센서, ESP32-WROOM-32D 개발보드, Digi XBee S2C 통신 모듈 등을 이용하여 CO, CO₂, NO₂, O₂와 온·습도를 측정하고, 측정 데이터를 무선으로 전송할 수 있도록 설계하였다(Fig. 5). 주요 부품의 판매가를 기준으로 산정할 때, 본 모듈의 제작 비용은 함체, 전원부, 배선 및 커넥터 등을 포함하여 1대당 약 70만 원 수준으로 추정된다. 이는 복수 가스 계측과 온·습도 계측, 무선 전송 기능을 하나의 모듈에 통합한 구성에 해당한다.

Fig. 5.

Fabricated multi-gas measurement module; (a) external view showing the module housing and ZigBee communication module and (b) internal gas sensors and ESP32 controller.

적용 센서는 현장 적용성과 확보 용이성을 고려해 DFRobot Gravity 시리즈 기반의 전기화학식 센서와 NDIR(Non-Dispersive Infrared) 센서로 구성하였으며, 센서 외형 및 구성은 Fig. 6에 제시하였다. 사용 센서의 주요 성능 및 사양은 Table 1에 요약하였다. 센서에서 취득한 신호는 모듈 내부 마이크로컨트롤러에서 주기적으로 샘플링되어 전처리된 뒤, 노드(모듈) 식별자와 함께 패킷 형태로 구성되어 상위 네트워크로 전송되도록 설계하였다. 이와 같은 통합 모듈화는 동일 지점에서 다항목 측정값을 동시 확보하게 해주며, 설치 지점 간 비교와 시간대별 변동 분석을 위한 데이터 일관성을 확보하는 데 유리하다.

Fig. 6.

DFRobot Gravity gas sensors: (a) Electrochemical and (b) Photoacoustic Non-Dispersive Infrared (NDIR) (DFROBOT, 2025).

원격제어 모듈은 소규모 광산에서 일반적으로 운용되는 노후 아날로그 전기 판넬을 고가의 제어 시스템으로 교체하지 않고도 적용할 수 있도록, 전기적 개조 없이 스위치를 물리적으로 조작하는 구조로 설계하였다. 구동부는 서보모터 기반으로 구성하였으며, 서보모터 단품과 기본 사양, 그리고 이를 이용해 제작한 원격제어 모듈의 외형은 Fig. 7에 제시하였다. 제작된 원격제어 모듈은 서보모터의 회전 운동을 스위치 조작으로 전달하기 위한 장착 구조물과 연동부, 그리고 제어부로 구성되며, 전기 판넬의 스위치를 일정 각도로 구동한 뒤 원위치로 복귀시키는 방식으로 전원 조작이 가능하도록 구현하였다. 제어 로직은 동일 명령에 의해 불필요한 반복 구동이 발생하지 않도록 설계하여, 제어 신호의 변화가 감지될 때에만 1회 동작하고 이후에는 대기 상태로 복귀하도록 하였다. 이러한 방식은 기존 판넬 내부 회로를 변경하지 않으므로 설치 부담이 낮고, 현장 조건에 따라 장착 구조물의 형상과 연결부 길이 등을 조정하면 다양한 판넬에도 적용할 수 있다는 장점이 있다. 결과적으로 본 연구의 하드웨어 구성은 갱내 다지점에서의 연속 가스 계측을 통해 위험 징후를 상시 관측하고, 필요시 설비 제어로 즉시 연결될 수 있는 물리 조작 기반의 원격제어 기능을 제공함으로써, 중소규모 지하광산에서도 비교적 낮은 비용으로 모니터링 및 대응이 연계되는 안전관리 운용의 기반을 마련한다.

Fig. 7.

MG996R servo motor and fabricated MG996R-based remote control module.

모바일 애플리케이션 제작

본 연구에서는 갱내 다지점 가스 측정값을 원격에서 확인하고, 필요시 환기팬 및 배수펌프를 즉시 제어하며, CCTV 영상으로 현장 상황을 함께 확인할 수 있도록 모바일 애플리케이션을 제작하였다. 애플리케이션은 현장 관리자가 짧은 시간 안에 필요한 기능으로 바로 접근할 수 있도록 화면 구조를 단순화하였으며, 메인 화면에서 세 기능(실시간 가스 측정, 팬·펌프 제어, CCTV 확인)을 버튼 형태로 분리하여 제공하였다(Fig. 8(a)). 데이터 저장 및 동기화는 Firebase Realtime Database를 기반으로 구성하였고, 센서 모듈에서 업로드되는 측정값은 모듈(노드)별로 구분되어 저장되도록 경로를 설계하여 다지점 데이터가 혼재되지 않도록 하였다. 또한 제어 명령은 측정 데이터와 분리된 제어 노드에 기록되도록 구성하여, 모니터링 데이터 축적과 제어 동작이 서로 간섭하지 않도록 하였다.

Fig. 8.

Mobile application interfaces for integrated monitoring and remote operation: (a) main menu, (b) real-time multi-node gas monitoring, (c) fan/pump remote control, and (d) CCTV view.

실시간 가스 측정 화면은 설치된 노드 목록(예: esp32-01, esp32-02 등)을 기준으로 최신 측정값을 한 화면에서 확인할 수 있도록 구성하였다(Fig. 8(b)). 각 노드 카드에는 CO, CO₂, NO₂, O₂ 등 주요 항목의 현재값을 함께 표시하여, 특정 지점의 이상 징후를 빠르게 식별할 수 있도록 하였으며, 데이터는 데이터베이스 갱신에 따라 화면에 즉시 반영되도록 구현하였다. 팬·펌프 제어 화면은 환기팬과 배수펌프를 구분하여 전원 제어가 가능하도록 구성하였고, 제어 입력은 데이터베이스의 상태값 변경으로 기록되며 현장 제어 모듈이 이를 감지하여 스위치 조작을 수행하는 방식으로 연동하였다(Fig. 8(c)). 화면에 표시되는 상태는 데이터베이스에 기록된 값을 기준으로 유지되도록 하여, 통신 지연이나 갱신 시점 차이로 인해 사용자가 상태를 오인하지 않도록 하였다. CCTV 화면은 수치 기반 정보만으로는 판단이 어려운 상황을 보완하기 위해 포함하였으며, 가스 농도 변화 또는 설비 제어 수행과 동시에 영상으로 현장 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다(Fig. 8(d)). 결과적으로 본 애플리케이션은 실시간 모니터링, 설비 제어, 영상 확인 기능을 하나의 관제 인터페이스로 통합하여, 원격에서의 상황 판단과 대응 조치가 신속하게 이루어지도록 하는 것을 목표로 제작되었다.

CFD 해석 및 센서 배치 기준

센서 배치 후보지 선정을 위해 3D 갱도 데이터를 활용하여 ANSYS Fluent에서 주 운반 갱도와 분기부를 포함하는 3차원 계산영역을 구축하였다. 해석 유체는 공기로 설정하였고, 갱도 벽면은 no-slip wall 조건으로 적용하였다. 현장 환기 방향을 반영하여 3개 유입 경계에는 각각 7, 3, 5 m/s의 유입 유속을 부여하고, 출구 경계에는 30 m/s의 유출 조건을 적용하였다. 해석은 갱내 평균 유동장과 상대적 저속 구간을 확인하기 위한 정상상태 유동 해석으로 수행하였으며, 난류 효과는 ANSYS Fluent의 RANS 기반 정상상태 유동 해석 절차로 처리하였다. 격자는 갱도 굴곡부와 분기부 형상을 보존할 수 있도록 비정렬 격자 기반으로 구성하였다. 본 연구의 CFD 해석은 유해가스 농도의 절대값을 예측하기 위한 정량 확산 해석이 아니라, 환기 유동에서 상대적으로 저속 정체 또는 재순환이 발생할 가능성이 큰 구간을 도출하기 위한 목적으로 수행하였다. 따라서 유속 분포, 유선의 회전·체류 양상, 분기부 및 하부 유입부 주변의 저속 영역을 종합하여 우선 감시 후보지를 선정하고, 이후 전원 확보 가능성, ZigBee 통신 연결성, 작업자 접근성, 유지관리 가능성을 함께 고려하여 최종 센서 배치 위치를 결정하였다.

연구 결과

광산 갱내 실험

현장 실증은 충청북도 제천시 석회석 광산 갱내를 대상으로 수행하였다. 가스 측정 모듈의 설치 위치는 CFD 해석에서 도출된 저속 정체 및 재순환 후보 구간을 우선적으로 고려하되, 실제 설치 가능 위치(작업·운반 동선, 접근성, 전원 및 통신 조건)를 함께 검토하여 최종 확정하였다. 해석 결과, 하부 환기 배출부와 분기부 주변에서 상대적으로 낮은 유속 및 유선 체류 가능성이 확인되어, 해당 결과를 바탕으로 6개의 모듈을 갱도 입구, 주요 교차부, 하부 환기 배출부, 분기부 및 작업면 주변에 분산 배치하였다. 모든 모듈은 CO, CO₂, NO₂, O₂ 등 가스 농도 측정과 ZigBee 기반 무선 데이터 전송 기능을 수행하도록 구성하였다. 이 중 ESP32-01은 다른 모듈에서 전송된 데이터를 수집·정합한 뒤 Wi-Fi 백홀을 통해 서버로 송신하는 코디네이터/게이트웨이 역할을 추가로 수행하도록 설정하였다. 이와 같이 CFD 결과로 도출한 우선 감시 후보, 현장 설치 가능성, 통신 연결성 및 유지관리 접근성을 종합하여 최종 센서 배치를 결정하였다(Fig. 9).

Fig. 9.

Deployment plan for ZigBee gas sensor modules designed based on CFD results and field installation constraints.

각 모듈은 작업면과 운반로, 교차부를 포괄하도록 분산 설치하여 공간적 비교가 가능하도록 하였으며, 센서 설치 높이는 작업자 호흡 높이를 대표하도록 갱도 바닥으로부터 약 1.0–1.5 m 범위로 통일하였다(Fig. 10). 가스 모니터링은 일반적인 작업일 운반 일정에 맞추어 연속 계측을 수행하였고, 분석을 위한 데이터 구간은 작업이 이루어지는 오전 구간, 점심시간(11:30–12:30)으로 인한 작업 중단 구간, 그리고 오후 작업 재개 구간으로 구분하여 취득하였다. 구간별 자료는 모듈별 시계열로 축적되며, 시간대별 평균 농도 비교가 가능하도록 데이터베이스에 누적 저장되도록 구성하였다.

Fig. 10.

On-site deployment of the gas monitoring and ESP32-based switch actuation modules in the underground mine.

또한, 배수펌프와 환기팬 제어용 전기판넬 스위치에 원격 제어 모듈을 설치하여 실증 실험을 수행하였다. 광산 관리자가 스마트폰 애플리케이션에서 배수펌프와 환기팬의 상태 값을 변경하여 원격 제어 명령을 입력하고, 연구자는 전기 판넬 전면에서 스위치 조작 모듈의 동작 여부와 스위치 전환 상태를 관찰하였다.

실험은 오전 및 오후 작업시간 동안 반복적으로 수행하였으며, 스마트폰 애플리케이션에서 입력한 제어 명령이 데이터베이스를 거쳐 현장 제어 모듈로 전달되고, 서보모터가 셀렉터 레버를 설정된 회전각까지 구동한 뒤 복귀하는 동작을 확인하였다. 다만 본 연구에서는 앱-데이터베이스-현장 모듈-서보 구동 단계별 지연시간을 별도로 계측하거나 반복 구동 성공률을 정량화하지는 않고 현장 예비 실증 수준에서 원격제어 가능성을 확인하였다.

갱내 다지점 가스 모니터링 결과

갱내 다지점 가스 모니터링 자료는 오전 작업(11:05–11:30), 점심 휴식(11:30–12:30), 오후 작업(12:30–13:50)의 세 구간으로 나누어 분석하였다. Fig. 11은 CO와 CO₂ 농도의 시간 변화와 시간대별 구간을 함께 나타낸 결과이다. 그림에서는 오전 작업, 점심 휴식, 오후 작업 구간을 서로 다른 배경색으로 구분한 것으로, 각 구간에서의 농도 변화 추이를 직관적으로 비교할 수 있도록 하였다. 전체적으로 가장 뚜렷한 변화는 CO와 CO₂에서 확인되었으며, 두 가스 모두 오전에서 점심, 오후로 갈수록 농도가 증가하는 경향을 보였다.

CO는 Fig. 11(a)에서 보듯이 대부분의 측정 지점에서 시간이 지남에 따라 뚜렷하게 증가하였고, 일부 지점에서는 단시간 피크도 함께 관찰되었다. 시간대별 평균 CO 농도는 전체 노드 기준 오전 2.26 ppm, 점심 3.24 ppm, 오후 4.72 ppm으로 나타났으며, 오후 구간에서는 esp32-03이 6.85 ppm으로 가장 높았고 esp32-05와 esp32-06도 각각 5.35 ppm, 5.37 ppm으로 비교적 높은 값을 보였다. 이러한 결과는 CO가 작업 경과에 따라 점진적으로 축적될 뿐 아니라, 디젤 운반 장비의 이동·체류 위치와 국부적인 기류 정체 조건에 따라 일부 지점에 더 크게 집중될 수 있음을 시사한다. 또한 점심시간에도 CO 농도가 오전 수준으로 즉시 회복되지 않고 계속 높은 수준을 유지한 점은, 작업이 일시 중단되더라도 갱내 잔류 배기가스가 일정 시간 체류할 수 있음을 보여준다.

Fig. 11.

Time-series changes in CO and CO₂ concentrations measured by multi-point gas monitoring modules in the underground mine. Shaded regions indicate morning work, lunch break, and afternoon work: (a) CO at ESP32-01–06 and (b) CO₂ at ESP32-01–05.

CO₂는 Fig. 11(b)에서 제시된 바와 같이 CO에 비해 절대 농도 수준이 높아 시계열상 연속적인 변화 경향을 비교적 명확하게 확인할 수 있었다. CO₂ 측정이 가능한 5개 노드의 평균 농도는 오전 1,698 ppm, 점심 1,797 ppm, 오후 1,862 ppm으로 증가하였으며, 오후 구간 최대 평균은 esp32-02에서 1,912 ppm으로 확인되었다. 지점 간 편차와 순간적인 피크는 CO에 비해 상대적으로 작게 나타났으나, 시간대가 진행될수록 전체 농도 수준이 상승하는 경향은 뚜렷하였다. 이는 작업 과정에서 발생한 배기가스와 작업자 활동에 따른 CO₂가 갱내에 점진적으로 축적되었으며, 일부 구간에서는 환기와 희석이 충분히 빠르게 이루어지지 않았을 가능성을 보여준다.

본 실증에서 관측된 농도 수준은 전반적으로 광산안전기술기준에서 정한 유해가스 기준치를 초과하는 수준은 아니었다. 광산안전기술기준에서는 광산근로자가 작업하거나 통행하는 갱내 공기의 산소함유량을 19% 이상으로 유지하도록 하고 있으며, 유해가스는 작업시간 8시간 평균농도를 기준으로 일산화탄소(CO) 30 ppm 이하, 이산화탄소(CO₂) 1% 이하, 이산화질소(NO₂) 3 ppm 이하로 규정하고 있다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2025). 본 연구에서 CO의 시간대별 평균 농도는 오전 2.26 ppm, 점심 3.24 ppm, 오후 4.72 ppm으로 나타나 기준치인 30 ppm보다 낮았고, CO₂ 역시 평균 1,698–1,862 ppm 수준으로, 광산안전기술기준의 기준치인 1%보다 낮은 수준이었다. 다만 시간대가 진행될수록 평균 농도가 증가하는 경향을 보였으므로, 위험 수준으로 해석하기보다는 갱내 공기 체류와 환기 상태 변화를 파악하기 위한 보조 지표로 활용할 수 있다. O₂는 전 구간에서 약 20.4–20.6 vol% 범위로 유지되어 저산소 위험 징후는 확인되지 않았고, NO₂도 대체로 1 ppm 미만의 낮은 수준에서 뚜렷한 시간대별 증가 경향을 보이지 않았다.

토 의

본 연구는 ZigBee 메시 네트워크와 Wi-Fi 백홀, 클라우드 데이터베이스를 결합하여 갱내 다지점 가스 계측과 원격 제어를 연계한 운용 구성을 현장에 적용하고, 실제 석회석 광산 갱내에서 실증을 수행하였다. 본 연구에서는 개발 및 예비 실증 단계에서 Firebase Realtime Database를 활용하여 데이터 저장, 실시간 조회, 모바일 애플리케이션 연동 가능성을 확인하였다. 다만 Firebase 기반 구조는 시스템 구현과 실증에는 유용하지만, 실제 광산 현장에 장기간 적용하기 위해서는 데이터 접근 권한 관리, 사용자 인증, 통신 암호화, 로그 관리 등을 포함한 보안 체계가 추가로 요구된다. 따라서 향후 실제 운영 단계에서는 현장 전용 서버 또는 별도 백엔드 서버를 구축하여 보안성과 관리성을 강화할 필요가 있다.

본 실증은 현장 적용 가능성 확인에 초점을 두었기 때문에, 관측된 농도 변화가 특정 작업, 장비 통과, 발파 후 잔류가스, 환기 운전 상태 변화 등과 어떻게 직접적으로 연결되는지까지는 정량적으로 규명하지 못했다. 또한 본 연구에서는 실제 위험 농도 초과 상황에서의 작동을 검증한 것은 아니다. 따라서 본 연구의 결과는 위험 상황 자체의 재현 검증이라기보다, 다지점 계측값이 데이터베이스와 모바일 애플리케이션으로 전달되고, 관리자의 제어 명령이 현장 스위치 조작으로 연결될 수 있음을 확인한 예비 현장 실증에 해당한다. 후속 연구에서는 안전한 범위의 모의 데이터 또는 제한적 챔버 시험을 통해 경보 기준 초과 상황을 재현하고, 단계별 지연시간과 성공률을 정량적으로 평가할 필요가 있다.

광산 현장은 비산 먼지, 높은 습도, 진동, 온도 변화가 복합적으로 작용하므로, 장기간 운용 시 센서부 오염, 응답 지연, 커넥터 접촉 불량, 전원 불안정 및 통신 장비 고장 가능성을 고려해야 한다. 본 시제품은 산업용 방진·방수 등급 또는 방폭 인증을 확보한 완성형 제품은 아니다. 따라서 실제 운영 단계에서는 센서 흡입부의 방진망, 함체의 방습 처리, 전원부 과전류 보호와 예비 전원 등을 반영한 구조 개선이 필요하다. 특히 장기 현장 적용을 위해서는 유지보수가 가능한 모듈 교체형 설계 등을 적용하고, 기본적인 내구성과 설치 안정성을 높일 필요가 있다. 또한 장기 운용성을 평가하기 위해 최소 수개월 이상의 연속 운전 시험을 수행하고, 내구성을 정량적으로 기록하여 유지관리 주기와 점검 항목을 제시해야 한다.

원격 제어 기능 역시 현장 수준에서 명령 전달과 스위치 전환의 동작 가능성은 확인하였으나, 지연 시간을 단계에 따라 계측하지는 못했다. 향후에는 시간 동기화가 가능한 로그 체계를 적용하여 제어 지연의 분포와 명령 전달 성공률을 계측할 필요가 있다. 또한, 향후에는 환기팬 운전 상태, 장비 운행 기록, 작업 일정 등 운영 정보와 가스 측정 데이터를 연계하고, 센서 품질 관리와 제어 성능 평가를 보강함으로써 현장에 반복 적용 가능한 표준 운용 지침을 마련하고자 한다.

결 론

본 연구에서는 지하광산의 작업 환경을 실시간으로 모니터링하고 원격으로 제어할 수 있는 스마트 안전관리 시스템을 개발하여 현장 적용 가능성을 평가하였다. Arduino 호환 마이크로컨트롤러인 ESP32와 전기화학식/NDIR 가스 센서들을 활용하여 CO, CO₂, O₂, NO₂를 연속 측정하는 저전력 센서 모듈을 제작하였고, ZigBee 기반 WSN을 구축하여 갱내 주요 지점의 가스 농도를 지상 원격지 서버로 전송하였다. 아울러 서보모터를 이용한 원격 스위치 조작 모듈을 개발하여 환기팬, 배수펌프 등의 설비를 갱외에서 제어할 수 있는 구성을 제시하였다. CFD 기반 유동 해석을 통해 저속 정체 및 재순환 가능성이 있는 우선 감시 후보 구간을 도출하고, 현장 설치 가능성, 통신 연결성 및 유지관리 접근성을 함께 고려하여 총 6개의 센서 모듈을 실제 광산 갱도에 배치하였다.

현장 실증 결과, 개발된 시스템은 경제적인 비용으로 구축할 수 있으면서도 기능성과 안정성 측면에서 충분히 실용할 수 있음을 확인하였다. 모든 센서 모듈은 갱내 환경 변화를 측정하여 무선 전송에 성공하였고, 수집된 데이터는 데이터베이스에 자동 축적됨과 동시에 관리자의 모바일 앱 화면에 시각화되어 표시되었다. CO와 CO₂ 농도의 시간 경과에 따른 누적과 체류 가능성을 데이터로 파악함으로써, 환기 상태 변화를 파악하기 위한 보조 지표로의 활용성을 확인하였다. 또한 앱에서 입력한 장비 제어 명령이 현장 스위치 조작으로 이어지는 동작을 확인하였다.

본 연구에서는 국내 중소규모 광산에 도입될 수 있는 스마트 안전관리 기술로서의 센싱-제어 통합 구성을 제안하였다. 다만 실제 운영 단계에서는 내구성, 오염 관리, 통신 안정성, 제어 응답시간, 보안 체계 등에 대한 추가 검증이 필요하다. 향후에는 AI 기반 데이터 분석을 접목한 위험 예측, 광산환경에 특화된 센서 추가, 환기팬 및 배수펌프 운전 상태 로그와의 연계, 자동제어 장치와의 통합 등을 통해 본 시스템을 더욱 발전시킬 수 있을 것이다. 나아가 본 연구에서 구축한 센싱-제어 통합 플랫폼을 기반으로 광업 외의 터널, 지하공간 등 유사 환경에도 적용 범위를 확대함으로써, 작업장 안전 관리의 디지털 전환에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.